基于模糊n-cell數(shù)的非線性投入產(chǎn)出模型解的存在性

陸星宇,葉國(guó)菊,劉尉

(河海大學(xué)理學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

0 引言

模糊數(shù)是模糊理論研究的重要內(nèi)容,有關(guān)模糊數(shù)的概念最早由Zadeh等[1]研究提出的。2011年,Wang系統(tǒng)總結(jié)了模糊數(shù)理論,給出了相應(yīng)的結(jié)果與應(yīng)用[2]。模糊n-cell數(shù)是一類(lèi)特殊的n維模糊數(shù),可以用來(lái)表示不確定信息,在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,如模糊識(shí)別、分類(lèi)、排序等[3]。

不動(dòng)點(diǎn)理論在過(guò)去的幾十年里不斷發(fā)展,其形式與內(nèi)容呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn),為后續(xù)研究提供了更廣的空間。模糊不動(dòng)點(diǎn)理論是在研究模糊數(shù)空間中的不動(dòng)點(diǎn)定理時(shí)建立起來(lái)的,是傳統(tǒng)不動(dòng)點(diǎn)理論的一種推廣。Wang等[4-5]研究了一類(lèi)模糊增映射的不動(dòng)點(diǎn)定理,解決了3類(lèi)平衡模型解的存在性問(wèn)題。 Lakshmikantham等[6]提出了混合單調(diào)算子的概念并給出了相應(yīng)的不動(dòng)點(diǎn)定理。Chang等[7]將混合單調(diào)算子與模糊數(shù)結(jié)合起來(lái),得到了一維模糊數(shù)空間中的一類(lèi)帶緊性的混合單調(diào)不動(dòng)點(diǎn)定理。有關(guān)單調(diào)算子的不動(dòng)點(diǎn)理論在Banach空間中討論得比較完善,但其在模糊數(shù)空間中的研究還不夠全面。因此,受文獻(xiàn)[6-7]中結(jié)論的啟發(fā),本文中給出了模糊n-cell數(shù)空間中的混合單調(diào)不動(dòng)點(diǎn)定理,豐富了模糊n-cell數(shù)空間中的不動(dòng)點(diǎn)理論,并為研究非線性投入產(chǎn)出模型解的存在性提供了理論基礎(chǔ)。

不動(dòng)點(diǎn)理論也是研究各類(lèi)算子方程的重要工具,在經(jīng)濟(jì)均衡理論中發(fā)揮著巨大的作用,是處理平衡模型解的存在性的有力工具。投入產(chǎn)出模型是經(jīng)濟(jì)模型中的一個(gè)經(jīng)典問(wèn)題,Liu等[8],Zhao等[9]等利用不動(dòng)點(diǎn)定理討論了該模型解的存在性問(wèn)題,得到了模型的數(shù)值解法。Mattila[10]將模糊線性系統(tǒng)和投入產(chǎn)出模型結(jié)合,用數(shù)值方法研究了該模型的解。近年來(lái),投入產(chǎn)出模型也廣泛應(yīng)用于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題上[11]。鑒于投入產(chǎn)出模型的變量具有不確定性,本研究建立了一種以模糊n-cell數(shù)為變量的非線性投入產(chǎn)出模型,并結(jié)合不動(dòng)點(diǎn)定理得到了該模型解存在的一些結(jié)論。

1 預(yù)備知識(shí)

設(shè)(Rn,d)為完備度量空間,K(Rn)表示Rn的非空緊子集全體。對(duì)任意A,B∈K(Rn),集合A和B的Hausdorff度量表示為

定義1[1]設(shè)u是論域Rn到[0,1]上的一個(gè)映射,即

u:Rn→[0,1],x→u(x),

稱u是Rn上的一個(gè)模糊集,u(x)稱為模糊集u的隸屬函數(shù)。對(duì)給定x∈Rn,u(x)稱為x對(duì)u的隸屬程度,Rn上的模糊集全體記為F(Rn)。

設(shè)u,v∈En,k∈R1,En中的加法、乘法和數(shù)乘分別表示為

其中,

定義2[3]設(shè)u∈En,若對(duì)任意的α∈[0,1],[u]α是一個(gè)n維方體,即

設(shè)ui∈E1,i=1,2,…,n,由ui構(gòu)成的模糊數(shù)組稱為n維模糊向量,記為(u1,u2,…,un)。n維模糊向量全體稱為n維模糊向量空間,記為(E)n。

注2引理1表明模糊n-cell數(shù)與n維模糊向量可相互表示,即對(duì)于由模糊n-cell數(shù)u確定的n維模糊向量(u1,u2,…,un),表示法u=(u1,u2,…,un)存在且唯一。

設(shè)u,v∈L(En),記u=(u1,u2,…,un),v=(v1,v2,…,vn),對(duì)任意的k∈R1,L(En)中的加法、乘法與數(shù)乘分別表示為

u+v=(u1+v1,u2+v2,…,un+vn);

uv=(u1v1,u2v2,…,unvn);

ku=(ku1,ku2,…,kun).

設(shè)u,v∈L(En),α∈[0,1],L(En)中的度量表示為

文獻(xiàn)[2]中還給出了模糊n-cell數(shù)空間中的多種度量,并證明了在度量D下(L(En),D)為完備度量空間。

定義5[2］設(shè)非空集合U?L(En),若存在uU∈L(En),使得對(duì)任意的u∈U,有u≤uU,則稱U關(guān)于序≤有上界,uU稱為U的一個(gè)上界。若U有上界,且存在U的一個(gè)上界uS∈L(En),使得對(duì)U的任意上界uU,有uS≤uU,則稱uS為U的上確界,記為uS=supU。 下界與下確界可類(lèi)似定義。若U關(guān)于序≤既有上界又有下界,則稱U是有界的。

引理2[2]設(shè)非空集合U?L(En),若U有上界,則存在上確界;若U有下界,則存在下確界。

定義6[6]設(shè)模糊映射A:L(En)×L(En)→L(En)。若對(duì)任意的(u1,v1),(u2,v2)∈L(En)×L(En),u1≤u2,v1≥v2,有A(u1,v1)≤A(u2,v2),則稱A為混合單調(diào)的。

定義7[6]設(shè)模糊映射A:L(En)×L(En)→L(En)。若存在(u*,v*)∈L(En)×L(En),滿足A(u*,v*)=u*,A(v*,u*)=v*,則稱(u*,v*)為A的耦合不動(dòng)點(diǎn)。若存在u*∈L(En),使得A(u*,u*)=u*,則稱u*為A的不動(dòng)點(diǎn)。

定義8[7]設(shè)模糊映射A:L(En)×L(En)→L(En)。若存在常數(shù)k∈(0,1),使得對(duì)任意的(u,v)∈L(En)×L(En),有D(A(u,v),A(v,u))≤kD(u,v),則稱A為壓縮映射。

2 混合單調(diào)映射不動(dòng)點(diǎn)定理

設(shè)u0,v0∈L(En),u0≤v0,L(En)中的序區(qū)間記為[u0,v0]={u∈L(En):u0≤u≤v0}。

定理1證明記M={(u,v)∈[u0,v0]×[u0,v0]:u≤A(u,v),A(v,u)≤v}。由(u0,v0)∈M知M非空,不妨設(shè)

M1={u∈[u0,v0]:?v∈[u0,v0]使(u,v)∈M,u≤A(u,v)},

M2={v∈[u0,v0]:?u∈[u0,v0]使(u,v)∈M,A(v,u)≤v}。

(1)

(2)

證畢。

對(duì)于模糊映射A:[u0,v0]×[u0,v0]→L(En)。若A將[u0,v0]×[u0,v0]中的任意有界集映為L(zhǎng)(En)中的相對(duì)緊集,則稱A是緊的。若A又是連續(xù)的,則稱A為全連續(xù)的。

un=A(un-1,vn-1),n=1,2,3,…

(3)

vn=A(vn-1,un-1),n=1,2,3,…

(4)

確定的序列{un},{vn}滿足

u0≤u1≤…≤un≤vn≤…≤v1≤v0

(5)

定理2的證明取n=1時(shí)將(3)、(4)式代入u0≤A(u0,v0),A(v0,u0)≤v0得u0≤u1,v1≤v0。注意到A為混合單調(diào)的,所以

u1=A(u0,v0)≤A(v0,u0)=v1,

故u0≤u1≤v1≤v0,利用歸納法假設(shè)

un-1≤un≤vn≤vn-1,

再由A為混合單調(diào)可得

un=A(un-1,vn-1)≤A(un,vn)=un+1,

vn=A(vn-1,un-1)≥A(vn,un)=vn+1,

un+1=A(un,vn)≤A(vn,un)=vn+1,

因此un≤un+1≤vn+1≤vn,假設(shè)成立,展開(kāi)即(5)式成立。

D(unk0,u*)<ε,

所以當(dāng)n≥nk0時(shí),由序列{un}的單調(diào)遞增性有unk0≤un≤u*,故

D(un,u*)≤D(unk0,u*)<ε,

利用歸納法易證得

(6)

(7)

證畢。

wn=A(wn-1,zn-1),n=1,2,3,…

(8)

zn=A(zn-1,wn-1),n=1,2,3,…

(9)

定理3的證明注意到A為壓縮映射,由定義8知存在k∈(0,1),使得對(duì)任意的(u,v)∈[u0,v0]×[u0,v0],有D(A(u,v),A(v,u))≤kD(u,v),又A亦符合定理2的條件,故可將定理2中的式(3)、(4)代入該式得

D(un,vn)=D(A(un-1,vn-1),A(vn-1,un-1))≤kD(un-1,vn-1),

即

D(un,vn)≤knD(u0,v0)

(10)

對(duì)任意選取的初始點(diǎn)(w0,z0)∈[u0,v0]×[u0,v0],利用迭代格式(8)(9)易證得

un≤wn≤vn

(11)

un≤zn≤vn

(12)

證畢。

3 模糊非線性投入產(chǎn)出模型解的存在性

3.1 投入產(chǎn)出模型的早期研究概述

國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)之間存在著相互依存和相互制約的關(guān)系,各部門(mén)在彼此影響下形成了一個(gè)共同體,每個(gè)部門(mén)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)其他部門(mén)產(chǎn)品的消耗稱為該部門(mén)的投入,而這些消耗的產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)該部門(mén)加工處理后得到的新產(chǎn)品稱為產(chǎn)出。如何根據(jù)各部門(mén)之間投入與產(chǎn)出的平衡關(guān)系,確定各部門(mén)的產(chǎn)出水平以滿足社會(huì)需求,即各部門(mén)的總投入與總產(chǎn)出達(dá)到平衡,是投入產(chǎn)出模型主要研究的問(wèn)題,該模型簡(jiǎn)稱IO模型,是由美國(guó)數(shù)學(xué)家W.Leontief等[12-13]首先提出并研究的,幾十年來(lái)在理論和實(shí)踐方面有了很大的發(fā)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者那日薩等[14]對(duì)靜態(tài)非線性IO模型進(jìn)行了深入的研究,取得了一定的成果。

早期的IO模型主要考慮線性模型。設(shè)有n個(gè)部門(mén)依次表示為1,2,…,n,在一定時(shí)期內(nèi),第i部門(mén)的總投入記為xi,總產(chǎn)出記為yi,初始投入記為ci,外部需求記為di,第i部門(mén)對(duì)第j部門(mén)的投入記為xij(也表示第j部門(mén)對(duì)第i部門(mén)的需求),i,j=1,2,…,n,于是可得出總產(chǎn)出與總投入的表達(dá)式為

(13)

(14)

由W.Leontief均衡理論知,應(yīng)當(dāng)保證每一部門(mén)的總投入等于總產(chǎn)出,即對(duì)第i部門(mén)而言,xi=yi,因此當(dāng)i=j時(shí),式(13)與式(14)是等價(jià)的。故本文中將在平衡條件xi=yi下考慮由(13)式確定的IO模型解的存在性問(wèn)題。一般情況下,投入與產(chǎn)出都是動(dòng)態(tài)變化的,在研究各部門(mén)投入與產(chǎn)出的平衡關(guān)系時(shí),就需要一個(gè)穩(wěn)定的指標(biāo)來(lái)刻畫(huà)它,于是引入直接消耗系數(shù)aij來(lái)表示第j部門(mén)的單位產(chǎn)出對(duì)第i部門(mén)的直接消耗,即

代入式(13)得

(15)

若記投入向量X=(x1,x2,…,xn)T,需求向量d=(d1,d2,…,dn)T,直接消耗系數(shù)矩陣A=(aij)n×n,則式(15)可表示為

X=AX+d

(16)

式(16)稱為線性IO模型的代數(shù)方程,在線性模型下,我們總是假設(shè)每個(gè)部門(mén)只生產(chǎn)唯一的產(chǎn)品,不同部門(mén)生產(chǎn)的產(chǎn)品都是不同的并且aij是常數(shù),由此可導(dǎo)出線性IO模型的基本問(wèn)題:記I表示單位實(shí)矩陣,對(duì)于任意的需求向量d,是否存在投入向量X滿足方程(I-A)X=d。雖然該模型可以清晰地表達(dá)出投入產(chǎn)出量的關(guān)系,并且可以通過(guò)代數(shù)方法來(lái)求解投入向量X,但在實(shí)際生活中,許多變量都呈現(xiàn)出非線性關(guān)系,此時(shí)原先的假設(shè)便不再滿足,導(dǎo)致該模型無(wú)法對(duì)投入產(chǎn)出量做長(zhǎng)期的預(yù)測(cè),因此需要考慮更一般的模型。非線性模型是指原模型中第i部門(mén)對(duì)第j部門(mén)的投入xij非線性且唯一依賴于第j部門(mén)的總產(chǎn)出xj,記為xij=xij(xj),且記直接消耗系數(shù)aij=aij(xj),系數(shù)矩陣A=A(X),故非線性IO模型表示為

X=A(X)X+d

(17)

對(duì)于(17)式中的直接消耗系數(shù)矩陣A(X),早期的一些研究都是在假設(shè)A(X)為單調(diào)矩陣下考慮的,但在實(shí)際情況下,這不是一個(gè)普遍現(xiàn)象,因?yàn)殡S著科技水平的進(jìn)步,A(X)會(huì)表現(xiàn)出某一部分元素單調(diào)遞增而另一部分單調(diào)遞減的情況,因此在分析非線性IO模型時(shí)要考慮到這種情況。同時(shí),大部分非線性IO模型都采用精確變量來(lái)表示未知量,但在一定時(shí)期內(nèi),投入產(chǎn)出量具有不確定性,故考慮用模糊n-cell數(shù)來(lái)表示這種不確定量是可行的。

3.2 模糊非線性投入產(chǎn)出模型的建立

將在非線性IO模型的基礎(chǔ)上,建立模糊非線性IO模型。設(shè)u(i)表示第i個(gè)部門(mén)的總投入,w(i)表示外部需求,pij(u(j))表示直接消耗系數(shù),記第i部門(mén)對(duì)第j部門(mén)的投入μij(u(j))=pij(u(j))u(j),其中u(i),w(i),pij(u(j)),μij(u(j))∈E1,i,j=1,2,3,…,n。 由引理1知,對(duì)于u(i),w(i)表示的模糊向量,可存在唯一u,w∈L(En),使得u=(u(1),u(2),…,u(n))T,w=(w(1),w(2),…,w(n))T,再將直接消耗系數(shù)矩陣記為P(u)=(pij(u(j)))n×n,并假設(shè)P(u)中的元素均為單調(diào)的,則模糊非線性IO模型表示為

u=P(u)u+w

(18)

u=P1(u)u+P2(u)u+w

(19)

構(gòu)造映射T:L(En)×L(En)→L(En)使得對(duì)任意的(u,v)∈L(En)×L(En),u,v非負(fù),有T(u,v)=P1(u)u+P2(v)u+w,由定義6知T為混合單調(diào)的,于是(19)式代換為

u=T(u,u)

(20)

即模糊非線性IO模型(18)解的存在性問(wèn)題轉(zhuǎn)換為混合單調(diào)映射T的不動(dòng)點(diǎn)存在性問(wèn)題(20)。不妨選取初始投入向量u0,v0∈L(En),并假設(shè)u0≤v0。

3.3 模型解的存在性

對(duì)于上述構(gòu)造的模糊映射T,由定理1,2,3可依次得到如下結(jié)論1～3。

結(jié)論1表明函數(shù)T(u,v)在滿足一定的條件下能夠使得T存在耦合不動(dòng)點(diǎn),但由于耦合不動(dòng)點(diǎn)只能說(shuō)明T在第一分量上達(dá)到平衡,并不等價(jià)于一般的不動(dòng)點(diǎn)形式,因此需要賦予T更強(qiáng)的條件。不妨通過(guò)構(gòu)造迭代格式un=T(un-1,vn-1),vn=T(vn-1,un-1),n=1,2,3,…得到序列{un},{vn}。

結(jié)論2表明在假設(shè)T具有緊性的條件下,可通過(guò)迭代格式來(lái)逼近T的耦合不動(dòng)點(diǎn)。

T(u0,v0)=w≥u0,

且

由結(jié)論3可知本結(jié)論成立。

證畢。